JP2023044754A - 接合体の製造方法及び絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の異なる板部材の積層体を加圧及び加熱状態で接合する際に、積層体を均一に加圧して良好な接合体を製造するとともに、積層体の表面に異物が付着することを抑制する。【解決手段】第一板部材と第二板部材との積層体の前記第一板部材の表面にスペーサーを接触させた状態で前記積層体を加圧及び加熱して接合体を製造する接合体の製造方法であって、第一板部材は金属板であり、スペーサーは、少なくとも第一板部材との接触部が、加熱時に第一板部材と反応しない金属板からなり、接触部に、酸化物、窒化物、炭化物の少なくともいずれかを含む金属化合物からなる被膜が形成されており、スペーサーの金属板の厚さは０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、金属化合物からなる皮膜の厚さは３０ｎｍ以上である。【選択図】 図３
Description
本発明は、パワーモジュール用基板のように複数の異なる板部材からなる接合体を製造する方法に関し、特に、金属板同士を固相拡散接合によって接合する場合に好適な製造方法、及びその接合体の製造方法を用いた絶縁回路基板の製造方法に関する。
パワーモジュール用基板（絶縁回路基板）は、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に回路層が形成されるとともに、他方の面に放熱のための放熱層が形成された構成のものが一般に用いられる。
このパワーモジュール用基板として、例えば特許文献１におけるパワーモジュール用基板が開示されている。このパワーモジュール用基板は、アルミニウム又はアルミニウム合金、もしくは銅又は銅合金からなる金属板がセラミックス基板の両面にそれぞれろう材を介して接合されることにより、セラミックス基板の一方の面に回路層、他方の面に放熱層が形成されている。放熱層には、アルミニウム又はアルミニウム合金、もしくは銅又は銅合金からなる放熱板が接合されている。
このパワーモジュール用基板においてセラミックス基板と金属板とは、これらの積層体を加圧装置により加圧加熱することにより接合される。このとき、積層体と加圧装置との間には、カーボン層とグラファイト層とを積層してなるスペーサーが介在される。この場合、カーボン層が積層体側に配置される。
この種のパワーモジュール用基板として、回路層をアルミニウムと銅との二層構造とする場合がある。このように複数の異なる金属板からなる接合体を製造するには、特許文献１記載の方法によりセラミックス基板に形成したアルミニウム層の上に銅板を接合して銅層を形成するが、アルミニウムと銅との接合には、ろう材を介さずに加圧加熱する固相拡散接合が行われることがある。
この場合、ろう材を介した接合以上に均一に加圧することが求められるが、特許文献１記載の加圧装置では、スペーサーの積層体と接する側がカーボン層により形成されているため、加圧時の荷重付与による変位が少なく、積層体の表面に微小な凹凸が生じていたり、平面度が大きい場合などには、これらを吸収できないために均一に加圧されず、接合不良を生じるおそれがある。
さらに、スペーサーにおける積層体に接する表面がカーボン層により形成されていると、このカーボン層が積層体とともに加熱しながら加圧された際に局所的に脱粒が生じて、積層体の表面にカーボン層の一部が付着することがある。この異物を除去するため接合体表面にソフトエッチング処理を行っても除去しきれず、接合後の積層体上（回路層上）に半導体素子等を搭載できないという問題が生じる。
一方、異物を除去するため強いエッチング処理を施すと、接合後の積層体の表面が荒れるため、この場合も回路層上に半導体素子等を搭載できない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数の異なる板部材の積層体を加圧及び加熱状態で接合する際に、積層体を均一に加圧して良好な接合体を製造するとともに、積層体の表面に異物が付着することを抑制することを目的とする。
本発明の接合体の製造方法は、第一板部材と第二板部材との積層体の前記第一板部材の表面にスペーサーを接触させた状態で前記積層体を加圧及び加熱して接合体を製造する接合体の製造方法であって、前記第一板部材は金属板であり、前記スペーサーは、少なくとも前記第一板部材との接触部が、加熱時に前記第一板部材と反応しない金属板からなり、その表面に、酸化物、窒化物、炭化物の少なくともいずれかを含む金属化合物からなる被膜が形成されており、前記スペーサーの前記金属板の厚さは０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、前記金属化合物からなる前記皮膜の厚さは３０ｎｍ以上である。
スペーサーにおける第一板部材との接触部が、第一板部材の表面と加熱時に反応しない金属板からなるので、このスペーサーを介して積層体を加圧及び加熱したときに、スペーサーの接触部が積層体の第一板部材の表面に付着することを抑制できる。
また、そのスペーサーの接触部を構成する金属板に、積層体の第一板部材と熱膨張係数の異なる金属板を用いる場合、スペーサーと積層体とを加圧すると、接触部と第一板部材とが圧着状態となり、これらの熱膨張係数差に伴って加熱及び冷却時にスペーサーと第一板部材との間に面方向に沿う応力が発生し、この応力が積層体（接合体）の熱伸縮時（冷却時）に、第一部材と第二板部材の接合界面を破壊するおそれがある。この点、接触部に上記の金属化合物からなる被膜を形成しておくことにより、スペーサーと第一板部材とが圧着状態となることを抑制し、第一板部材と第二板部材とを良好に接合することができる。
なお、スペーサーの金属板の厚さは、０．２ｍｍ未満では加圧により変形が生じて再使用ができなくなる。金属板の厚さが１．０ｍｍを超えると接合不良が生じる。このため、金属板の厚さは０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が好ましい。
金属化合物からなる皮膜は、厚さが３０ｎｍ未満では積層体との圧着が生じる。このため、その皮膜の厚さは３０ｎｍ以上が好ましい。
金属化合物からなる皮膜は、厚さが３０ｎｍ未満では積層体との圧着が生じる。このため、その皮膜の厚さは３０ｎｍ以上が好ましい。
本発明の接合体の製造方法において、前記接触部を構成する金属板は熱処理したものを使用するとよい。
金属板を熱処理することにより、被膜を効率的に形成することができる。
金属板を熱処理することにより、被膜を効率的に形成することができる。
本発明では、前記第一板部材又は前記第二板部材のうち、いずれか一方が銅又は銅合金からなり、他方がアルミニウム又はアルミニウム合金からなるものとすることができる。
アルミニウムと銅とは一般に固相拡散接合されるが、本発明は、このような固相で接合する場合に特に有効である。ただし、ろう材を用いた液相接合を除外するものではない。例えば、第一板部材が金属板からなり、第二板部材がセラミックス基板からなり、これらをろう材を用いて接合する場合にも本発明を適用できる。
本発明の接合体の製造方法によれば、複数の異なる板部材の積層体を加熱状態で加圧して接合する際に、積層体に均一な加圧力を付与して良好な接合体を製造するとともに、積層体の表面に異物が付着することを抑制できる。
本発明の絶縁回路基板の製造方法は、前述の接合体の製造方法を用いた絶縁回路基板の製造方法であって、前記第一板部材は、銅又は銅合金からなる第一金属板からなり、前記第二板部材は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二金属板とからなり、前記セラミックス基板に接合された前記第二金属板に前記第一金属板を積層して前記積層体を形成し、前記第一金属板に前記ステンレス板を接触させた状態で前記第一金属板と前記第二金属板とを固相拡散接合する。
また、他の絶縁回路基板の製造方法は、前述の接合体の製造方法を用いた絶縁回路基板の製造方法であって、前記スペーサーを二組用い、前記第一板部材は、銅又は銅合金からなる第一金属板と、炭化ケイ素の多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させてなるＡｌＳｉＣ複合材とが積層されてなり、前記第二板部材は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の両面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二金属板と、一方の前記第二金属板に積層された前記第一金属板とからなり、前記第二板部材の他方の前記第二金属板と前記第一板部材の前記第一金属板とを接触させて前記第一板部材と前記第二板部材とを積層することにより前記積層体を形成し、前記ＡｌＳｉＣ複合材に一方の前記スペーサーの前記ステンレス板を接触させ、かつ、前記第二板部材の前記第一金属板の表面に他方の前記スペーサーの前記ステンレス板を接触させた状態で、前記第一金属板と前記第二金属板、及び前記第一金属板と前記ＡｌＳｉＣ複合材を同時に固相拡散接合する。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
この実施形態は絶縁回路基板（接合体）の例としてのパワーモジュール用基板１である。このパワーモジュール用基板１は、図１に示すように、セラミックス基板１０と、このセラミックス基板１０の一方の面に接合された回路層２０と、セラミックス基板１０の他方の面に接合された放熱層３０とを備える。
この実施形態は絶縁回路基板（接合体）の例としてのパワーモジュール用基板１である。このパワーモジュール用基板１は、図１に示すように、セラミックス基板１０と、このセラミックス基板１０の一方の面に接合された回路層２０と、セラミックス基板１０の他方の面に接合された放熱層３０とを備える。
セラミックス基板１０は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができる。また、セラミックス基板１０の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされる。
回路層２０及び放熱層３０は、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二金属層４１と、銅又は銅合金からなる第一金属層４２との二層構造とされている。換言すると、パワーモジュール用基板１において、セラミックス基板１０の両面に第二金属層４１が形成され、その第二金属層４１の上に第一金属層４２が形成されている。
第二金属層４１は、純度９９質量％以上の純アルミニウム（例えば、ＪＩＳ規格では１０００番台の純アルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は、１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）や、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金等を用いることができる。第一金属層４２とセラミックス基板１０との熱伸縮差を緩衝するためには、第二金属層４１として純アルミニウムを用いるのが好ましい。
第一金属層４２は、例えば純度９９．９６質量％以上の銅（無酸素銅）や純度９９．９０質量％以上の銅（タフピッチ銅）が好適である。
これら第二金属層４１及び第一金属層４２の厚さは限定されないが、例えば、第二金属層４１が０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、第一金属層４２が０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とされる。回路層２０と放熱層３０とで同じ厚さの第二金属層４１と第一金属層４２とを用いてもよいし、異なる厚さの組み合わせとしてもよい。図示例では、回路層２０と放熱層３０とで区別することなく、第二金属層４１、第一金属層４２として、同一符号を付している。
このように構成されるパワーモジュール用基板１の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、セラミックス基板１０の両面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二金属板４１ａをろう材５０を介して積層し、その積層体を加圧加熱することにより、セラミックス基板１０と第二金属板４１ａとを接合して、セラミックス基板１０の両面に第二金属層４１を形成する（第一接合工程）。
次いで、図３に示すように、その第二金属層４１の上に銅又は銅合金からなる第一金属板４２ａを積層し、その積層体を加圧加熱することにより、アルミニウムと銅とを固相拡散接合して、第二金属層４１の上に第一金属層４２を形成する（第二接合工程）。
これらの両接合工程において、本発明が適用される。
第一接合工程においては、第二金属板４１ａが本発明の第一板部材に相当し、セラミックス基板１０が本発明の第二板部材に相当する。一方、第二接合工程においては、第一金属板４２ａが本発明の第一板部材に相当し、セラミックス基板１０と前記セラミックス基板１０の一方の面に接合された第二金属板４１ａ（第二金属層４１）が本発明の第二板部材に相当する。
第一接合工程においては、第二金属板４１ａが本発明の第一板部材に相当し、セラミックス基板１０が本発明の第二板部材に相当する。一方、第二接合工程においては、第一金属板４２ａが本発明の第一板部材に相当し、セラミックス基板１０と前記セラミックス基板１０の一方の面に接合された第二金属板４１ａ（第二金属層４１）が本発明の第二板部材に相当する。
この製造方法において、第一接合工程における積層体及び第二接合工程における積層体を加圧するために、図４に示す加圧装置１１０が用いられる。以下では、第一接合工程における積層体（セラミックス基板１０と両第二金属板４１ａとからなる積層体）及び第二接合工程における積層体（両第二金属層４１が形成されたセラミックス基板１０と、第一金属板４２ａとからなる積層体）を区別することなく、積層体Ｓとして説明する。
加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢部１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に積層体Ｓが配設される。
ベース板１１１及び押圧板１１４において、積層体Ｓと接する側に、加圧を均一にするためのスペーサー６０が配設される。
ベース板１１１及び押圧板１１４において、積層体Ｓと接する側に、加圧を均一にするためのスペーサー６０が配設される。
各スペーサー６０は、図５に示すように、グラファイトシート６１と金属板６２とを積層した構造とされている。
グラファイトシート６１は、クッション性を有する軟質のグラファイト材料により、鱗片状のグラファイト薄膜が雲母のように複数枚積層されて構成されたものであり、天然黒鉛を酸処理した後にシート状に成形してロール圧延してなる。このグラファイトシート６１は、かさ密度が０．５Ｍｇ／ｍ３以上１．３Ｍｇ／ｍ３以下で軟質である。例えば旭グラファイト株式会社製Ｔ－５（熱伝導率：７５．４Ｗ／ｍＫ、弾性率：１１．４ＧＰａ）や、東洋炭素工業株式会社製黒鉛シートＰＦ（圧縮率４７％、復元率１４％）などを用いることができる。
グラファイトシート６１は、クッション性を有する軟質のグラファイト材料により、鱗片状のグラファイト薄膜が雲母のように複数枚積層されて構成されたものであり、天然黒鉛を酸処理した後にシート状に成形してロール圧延してなる。このグラファイトシート６１は、かさ密度が０．５Ｍｇ／ｍ３以上１．３Ｍｇ／ｍ３以下で軟質である。例えば旭グラファイト株式会社製Ｔ－５（熱伝導率：７５．４Ｗ／ｍＫ、弾性率：１１．４ＧＰａ）や、東洋炭素工業株式会社製黒鉛シートＰＦ（圧縮率４７％、復元率１４％）などを用いることができる。
金属板６２は、積層体Ｓの表面と加熱時に反応しない材料からなる。反応しない材料とは、接合温度から常温まで冷却した際に剥がれることがなく、かつ、金属板と積層体表面との金属間化合物が形成されない材料を示す。
例えば、第一接合工程における積層体の両面に配置された第二金属板４１ａがアルミニウム又はアルミニウム合金からなる場合、スペーサー６０の金属板６２をアルミニウム又はアルミニウム合金、もしくはステンレスとすることが好ましく、第二接合工程における積層体Ｓの両面に配置された第一金属板４２ａが銅又は銅合金からなる場合、金属板６２を銅又は銅合金、或いはステンレスとすることが好ましい。なお、ステンレスとしては、例えば、ＳＵＳ３０４用いることができる。また、チタンやニッケルを用いることもできる。この場合、純度として９９％以上のチタンやニッケルを用いることが好ましい。
また、金属板６２の表面には、金属板６２を構成する元素の酸化物、窒化物、炭化物の少なくともいずれかを含む金属化合物からなる被膜６３が形成されている。この被膜６３を形成するため、予め、金属板６２に熱処理を施す。例えば、ステンレス（例えばＳＵＳ３０４）からなる金属板を大気中で５００℃に６０分加熱することにより、ＳｉＯ２換算で約６０ｎｍの厚さの酸化物（酸化鉄）からなる被膜６３が形成される。なお、この厚さは、ＸＰＳ分析（アルバック・ファイ株式会社社製VersaProbe IIを用い、スパッタレートを２．３５ｎｍ／ｍｉｎ（ＳｉＯ２換算）とした時）により求めた。真空雰囲気（例えば１０-2Ｐａ以下）や、窒素ガス雰囲気で熱処理してもよい。この熱処理で形成される被膜６３の厚さは、３０ｎｍ以上とするのがよく、３５０ｎｍ以下の厚さとするのがより好ましい。
スペーサー６０全体の厚さも特に限定されるものではない。グラファイトシート６１は０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とすることができる。金属板６２は０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされる。
以下、この加圧装置１１０を用いた第一接合工程、第二接合工程を順に説明する。
（第一接合工程）
図２に示すように、セラミックス基板１０の両面に、それぞれろう材５０を介して、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二金属板４１ａを積層して積層体Ｓを形成する。ろう材５０としては、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系又はＡｌ－Ｍｎ系等の合金が使用される。
図２に示すように、セラミックス基板１０の両面に、それぞれろう材５０を介して、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二金属板４１ａを積層して積層体Ｓを形成する。ろう材５０としては、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系又はＡｌ－Ｍｎ系等の合金が使用される。
積層体Ｓを図４に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧して、加圧装置１１０ごと真空雰囲気下で加熱することにより、第二金属板４１ａをセラミックス基板１０に接合して、セラミックス基板１０の両面に第二金属層４１を形成する。このとき、スペーサーは金属板が第二金属板に接触するように配置される。また、積層体Ｓの表面がアルミニウム又はアルミニウム合金であるので、金属板６２にはアルミニウム又はアルミニウム合金、あるいはステンレスが用いられる。
このときの加圧力としては、例えば０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下、接合温度としては６００℃以上６５５℃以下、加熱時間としては１５分以上１２０分以下とされる。
（第二接合工程）
図３に示すように、セラミックス基板１０の両面に形成された第二金属層４１の上に、それぞれ銅又は銅合金からなる第一金属板４２ａを積層して積層体Ｓを形成する。
図３に示すように、セラミックス基板１０の両面に形成された第二金属層４１の上に、それぞれ銅又は銅合金からなる第一金属板４２ａを積層して積層体Ｓを形成する。
積層体Ｓを図４に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態で、加圧装置１１０ごと真空雰囲気下で加熱して、第二金属層４１に対して第一金属板４２ａをそれぞれ固相拡散接合することにより、第二金属層４１の上に第一金属層４２を形成する。この場合、積層体Ｓの表面が銅又は銅合金であるので、金属板６２には銅または銅合金、あるいはステンレスが用いられる。
この場合の加圧力としては、例えば０．３ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下、加熱温度としては４００℃以上５４８℃未満とされる。この加圧及び加熱状態を５分以上２４０分以下保持することにより、第二金属層４１と第一金属板４２ａとが固相拡散接合され、第二金属層４１の上に第一金属層４２が形成される。
前述したように、この実施形態の加圧装置１１０では、第二金属層４１の上に第一金属板４２ａを積層状態とした積層体Ｓとベース板１１１及び押圧板１１４との間にスペーサー６０を介在させ、このスペーサー６０の積層体Ｓとの接触面側に金属板６２を配置している。
この金属板６２は、延性材料であるため、積層体Ｓの表面に凹凸が生じている場合やその平面度が低い場合にも、金属板６２がその表面形状に追従するように変形する。このため、積層体Ｓの全面に均一な加圧力を付与して、全面を均等に接合できる。また、カーボンシートのような脆性材料ではないため、加圧によって破損することはなく、かつ積層体Ｓの表面に設けられている第一金属板４２ａとも反応しない材料であるため、第一金属板４２ａに付着することもない。
また、スペーサー６０の金属板６２に金属化合物からなる被膜６３が形成されているので、接合時に、スペーサー６０の金属板６２と積層体Sの金属板４１ａ，４２ａとが圧着することが抑制される。
すなわち、スペーサー６０の接触部を構成する金属板６２と積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａとは熱膨張係数が異なっており、このため、皮膜６３がなく、金属板６２の表面が露出していると、加圧装置１１０で加圧した状態で加熱したときに、スペーサー６０の金属板６２と積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａとが圧着状態となり、これらの熱膨張係数差に伴って加熱及び冷却時にスペーサー６０の金属板６２と積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａとの間に面方向に沿う応力が発生し、この応力が接合対象のセラミックス基板１０や第二金属層４１との接合界面を破壊するおそれがある。
すなわち、スペーサー６０の接触部を構成する金属板６２と積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａとは熱膨張係数が異なっており、このため、皮膜６３がなく、金属板６２の表面が露出していると、加圧装置１１０で加圧した状態で加熱したときに、スペーサー６０の金属板６２と積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａとが圧着状態となり、これらの熱膨張係数差に伴って加熱及び冷却時にスペーサー６０の金属板６２と積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａとの間に面方向に沿う応力が発生し、この応力が接合対象のセラミックス基板１０や第二金属層４１との接合界面を破壊するおそれがある。
この点、スペーサー６０の金属板６２に金属化合物からなる被膜６３を形成しておいたことにより、その金属板６２と積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａとが圧着状態となることを抑制し、良好な接合を行わせることができる。
スペーサー６０の金属板が箔のように薄肉の場合は、積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａの熱伸縮の際に自身が変形することにより、接合対象のセラミックス基板１０や第二金属層４１との接合界面の破壊を抑制されるが、所定の厚さ（０．２ｍｍ以上）を有する金属板６２であるため、積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａの熱伸縮に追従しにくいため、被膜６３により圧着状態を回避できることは特に効果的である。ただし、金属板６２が厚すぎると、グラファイトシート６１が圧し潰されるおそれがあるので、１．０ｍｍ以下の厚さとするのが好ましい。
スペーサー６０の金属板が箔のように薄肉の場合は、積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａの熱伸縮の際に自身が変形することにより、接合対象のセラミックス基板１０や第二金属層４１との接合界面の破壊を抑制されるが、所定の厚さ（０．２ｍｍ以上）を有する金属板６２であるため、積層体Ｓの金属板４１ａ，４２ａの熱伸縮に追従しにくいため、被膜６３により圧着状態を回避できることは特に効果的である。ただし、金属板６２が厚すぎると、グラファイトシート６１が圧し潰されるおそれがあるので、１．０ｍｍ以下の厚さとするのが好ましい。
以上により、このスペーサー６０を設けた加圧装置１１０を用いることにより、接合不良のない高品質のパワーモジュール用基板(絶縁回路基板)１を製造できる。
本発明は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明の製造方法は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層と銅層との二層構造からなる回路層を形成する場合に適用でき、セラミックス基板の他方の面に実施形態のように二層構造の放熱層を有しなくてもよい。この場合、セラミックス基板１０に接触するスペーサーは、金属板６２を備えなくてもよい。
本発明の製造方法は、銅又は銅合金からなる金属板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板との接合だけでなく、ＡｌＳｉＣ複合材と銅又は銅合金との接合に適用してもよい。
ＡｌＳｉＣ複合材は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる多孔体にアルミニウム（Ａｌ：純アルミニウム又はアルミニウム合金）を主成分とする金属を含浸して形成されたアルミニウムと炭化ケイ素の複合体であり、多孔体の表面にはアルミニウムの被覆層が形成される。
このＡｌＳｉＣ複合材を用いる場合、図６に示すように、セラミックス基板１０の両面に形成された各第二金属層４１の上に、それぞれ銅又は銅合金からなる第一金属板４２ａを積層するとともに、一方の第一金属板４２ａに板状のＡｌＳｉＣ複合材７０を積層し、積層体を形成する。
この積層体に対して、ＡｌＳｉＣ複合材７０の表面にスペーサー６０の金属板６２を接触させるとともに、第一金属板４２ａの表面にスペーサー６０の金属板６２を接触させた状態で、かつ、積層体を積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で加熱することにより、各第二金属層４１と第一金属板４２ａ、さらに第一金属板４２ａとＡｌＳｉＣ複合材７０とをそれぞれ同時に固相拡散接合できる。
この場合、前述の実施形態で述べた方法によりセラミックス基板に第一金属層、第二金属層からなる回路層及び放熱層をそれぞれ形成し、その放熱層の第一金属層にＡｌＳｉＣ複合材をヒートシンクとして接合した絶縁回路基板とすることができる。
すなわち、セラミックス基板の両面に第二金属層を形成しておき（第一接合工程により）、各第二金属層に各第一金属板をそれぞれ積層し、さらに一方の第一金属板にＡｌＳｉＣ複合材を積層して、これらの積層体を加圧加熱して固相拡散接合する（第二接合工程）とよい。
その他、本発明は、パワーモジュール用基板の回路層および放熱層に限らず、液相及び固相で接合できる金属の組み合わせのものに適用することが可能であり、特に固相で接合できる金属の組み合わせのものに有効である。また、本発明は、金属板と金属板以外の板部材（例えば、セラミックス基板）との接合にも適用できる。
本発明の効果を確認するために評価試験を実施した。この試験では、アルミニウム合金（Ａ６０６３）からなる金属板と、純銅（Ｃ１０２０）からなる金属板とを積層して接合した。スペーサーに接する側の金属板を被着材とした。
スペーサーは、グラファイトシート（東洋炭素株式会社製ＰＦ－１００）と、接触部として、金属板の積層構造体とした。金属板には、ステンレス（ＳＵＳ３０４）、銅（Ｃ１０２０）、アルミニウム（Ａ６０６３）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）のいずれかを用いた。また、従来例として、スペーサーの接触部にカーボン、グラファイト、セラミックスを用いたものも試験した。スペーサーの接触部の厚みは表１に示す通りであった。
両金属板の積層体を加圧力１．０ＭＰａ、温度５００℃、保持時間３０分加圧加熱して、スペーサーの金属板表面の金属化合物の有無を確認するとともに、スペーサーの金属板の変形、密着性、接合性（追従性）について評価した。
（金属化合物の確認）
ＸＰＳ分析（アルバック・ファイ株式会社製VersaProbe II）を用い、スパッタリングにより、最表面からスペーサー母材の金属比率が８５ａｔ％を超過するまでの時間に対して、スパッタレートを２．３５ｎｍ／ｍｉｎ（ＳｉＯ２換算）から算出した。
このスパッタレートは、厚さ２０ｎｍのＳｉＯ２膜を２．８×３．５ｍｍの長方形領域に対してスパッタリングでエッチングを行い、厚さ１ｎｍについてエッチングするのに要した時間から算出した。このスパッタレートを用いて、金属化合物の測定に要した時間から金属化合物を確認した。
ＸＰＳ分析（アルバック・ファイ株式会社製VersaProbe II）を用い、スパッタリングにより、最表面からスペーサー母材の金属比率が８５ａｔ％を超過するまでの時間に対して、スパッタレートを２．３５ｎｍ／ｍｉｎ（ＳｉＯ２換算）から算出した。
このスパッタレートは、厚さ２０ｎｍのＳｉＯ２膜を２．８×３．５ｍｍの長方形領域に対してスパッタリングでエッチングを行い、厚さ１ｎｍについてエッチングするのに要した時間から算出した。このスパッタレートを用いて、金属化合物の測定に要した時間から金属化合物を確認した。
（スペーサーの変形の評価）
接合後にスペーサーを被着材からはがし、スペーサーに割れや変形（被着材のエッジの部分で折り曲げられるなど、再使用ができなくなる程度の変形）が生じた場合を「Ｂ」、そのような割れや変形が生じていない場合を「Ａ」とした。
接合後にスペーサーを被着材からはがし、スペーサーに割れや変形（被着材のエッジの部分で折り曲げられるなど、再使用ができなくなる程度の変形）が生じた場合を「Ｂ」、そのような割れや変形が生じていない場合を「Ａ」とした。
（スペーサーの密着性の評価）
スペーサーの密着性については、接合後に常温まで冷却し、積層体から金属板を人力で剥がすことができ、かつ、金属板と積層体表面の断面をＳＥＭ観察し、金属板と積層体表面に金属間化合物が生成されていない場合を「Ａ」と評価し、それ以外の場合を「Ｂ」と評価した。
スペーサーの密着性については、接合後に常温まで冷却し、積層体から金属板を人力で剥がすことができ、かつ、金属板と積層体表面の断面をＳＥＭ観察し、金属板と積層体表面に金属間化合物が生成されていない場合を「Ａ」と評価し、それ以外の場合を「Ｂ」と評価した。
（接合性の評価）
接合性は、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦＩＮＥＳＡＴ）を用いて、両金属層の界面を観察し、被接合面積を測定し、接合前における接合すべき面積（金属層の面積）から接合率を割り出し、接合率が９５％以上を「Ａ」、９５％未満を「Ｂ」とした。
これらの結果を表１に示す。いずれの評価も「Ａ」を合格とする。
接合性は、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦＩＮＥＳＡＴ）を用いて、両金属層の界面を観察し、被接合面積を測定し、接合前における接合すべき面積（金属層の面積）から接合率を割り出し、接合率が９５％以上を「Ａ」、９５％未満を「Ｂ」とした。
これらの結果を表１に示す。いずれの評価も「Ａ」を合格とする。
表１に示されるように、被着材と反応しない金属板をスペーサーの接触部に用い、その厚みが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、表面に３０ｎｍ以上の金属化合物の層が形成されている実施例では、スペーサの金属板と被着材との金属間化合物が認められず、変形や被着材との圧着がないことがわかる。また、接合性も良好であった。なお、実施例１２は、金属化合物の厚さが３５０ｎｍと厚く、脱落が生じないように厳しい条件管理が必要である。このため、金属化合物の皮膜の厚さは３００ｎｍ以下が好ましい。
これに対して、比較例１では、スペーサー表面の金属化合物の厚さが２０ｎｍと小さいため、スペーサーと被着材との接着が認められた。比較例２及び比較例４では、スペーサーの金属板の厚みが０．１５ｍｍと薄すぎたため、変形が生じ再使用できなくなった。比較例３では、スペーサーの金属板の厚みが１．２ｍｍと厚すぎたため、接合不良が生じた。比較例５及び比較例６では、積層体の金属板とスペーサーの金属板とが、銅とアルミニウムとの組合せであったため、反応して圧着が生じた。なお、スペーサーに金属板を用いずに、カーボン、グラファイト、セラミックスを用いた従来例は、スペーサーの変形、スペーサーと積層体との圧着、接合性のいずれかで不良が生じた。
これに対して、比較例１では、スペーサー表面の金属化合物の厚さが２０ｎｍと小さいため、スペーサーと被着材との接着が認められた。比較例２及び比較例４では、スペーサーの金属板の厚みが０．１５ｍｍと薄すぎたため、変形が生じ再使用できなくなった。比較例３では、スペーサーの金属板の厚みが１．２ｍｍと厚すぎたため、接合不良が生じた。比較例５及び比較例６では、積層体の金属板とスペーサーの金属板とが、銅とアルミニウムとの組合せであったため、反応して圧着が生じた。なお、スペーサーに金属板を用いずに、カーボン、グラファイト、セラミックスを用いた従来例は、スペーサーの変形、スペーサーと積層体との圧着、接合性のいずれかで不良が生じた。
１ パワーモジュール用基板（接合体）(絶縁回路基板)
１０ セラミックス基板（第二板部材）
２０ 回路層
３０ 放熱層
４１ 第二金属層（第二板部材）
４１ａ 第二金属板（第一板部材／第二板部材）
４２ 第一金属層
４２ａ 第一金属板（第一板部材）
５０ ろう材
６０ スペーサー
６１ グラファイトシート
６２ 金属板
６３ 被膜
７０ ＡｌＳｉＣ複合材
１１０ 加圧装置
１０ セラミックス基板（第二板部材）
２０ 回路層
３０ 放熱層
４１ 第二金属層（第二板部材）
４１ａ 第二金属板（第一板部材／第二板部材）
４２ 第一金属層
４２ａ 第一金属板（第一板部材）
５０ ろう材
６０ スペーサー
６１ グラファイトシート
６２ 金属板
６３ 被膜
７０ ＡｌＳｉＣ複合材
１１０ 加圧装置
Claims (5)
- 第一板部材と第二板部材との積層体の前記第一板部材の表面にスペーサーを接触させた状態で前記積層体を加圧及び加熱して接合体を製造する接合体の製造方法であって、前記第一板部材は金属板であり、前記スペーサーは、少なくとも前記第一板部材との接触部が、加熱時に前記第一板部材と反応しない金属板からなり、前記接触部に、酸化物、窒化物、炭化物の少なくともいずれかを含む金属化合物からなる被膜が形成されており、前記スペーサーの前記金属板の厚さは０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、前記金属化合物からなる前記皮膜の厚さは３０ｎｍ以上であることを特徴とする接合体の製造方法。
- 前記接触部を構成する金属板は熱処理したものを使用することを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。
- 前記第一板部材又は前記第二板部材のうち、いずれか一方が銅又は銅合金からなり、他方がアルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合体の製造方法。
- 請求項１から３のいずれか一項に記載の接合体の製造方法を用いた絶縁回路基板の製造方法であって、
前記第一板部材は、銅又は銅合金からなる第一金属板からなり、
前記第二板部材は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二金属板とからなり、
前記セラミックス基板に接合された前記第二金属板に前記第一金属板を積層して前記積層体を形成し、前記第一金属板に前記ステンレス板を接触させた状態で前記第一金属板と前記第二金属板とを固相拡散接合することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。 - 請求項１から３のいずれか一項に記載の接合体の製造方法を用いた絶縁回路基板の製造方法であって、
前記スペーサーを二組用い、
前記第一板部材は、銅又は銅合金からなる第一金属板と、炭化ケイ素の多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させてなるＡｌＳｉＣ複合材とが積層されてなり、
前記第二板部材は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の両面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二金属板と、一方の前記第二金属板に積層された前記第一金属板とからなり、
前記第二板部材の他方の前記第二金属板と前記第一板部材の前記第一金属板とを接触させて前記第一板部材と前記第二板部材とを積層することにより前記積層体を形成し、
前記ＡｌＳｉＣ複合材に一方の前記スペーサーの前記ステンレス板を接触させ、かつ、前記第二板部材の前記第一金属板の表面に他方の前記スペーサーの前記ステンレス板を接触させた状態で、前記第一金属板と前記第二金属板、及び前記第一金属板と前記ＡｌＳｉＣ複合材を同時に固相拡散接合することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
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